Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf ·...
Transcript of Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf ·...
![Page 1: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/1.jpg)
![Page 2: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/2.jpg)
Calore e temperatura
1. La misura della temperatura
2. La dilatazione termica
3. La legge fondamentale della termologia
4. Il calore latente
5. La propagazione del calore
![Page 3: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/3.jpg)
La misura della temperatura
La temperatura è una misura
dell’agitazione termica di una sostanza
ovvero una misura indiretta dell’energia
cinetica media delle molecole che
costituiscono la sostanza.
Si misura con il termometro
![Page 4: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/4.jpg)
La misura della temperatura 0Le sostanze sono composte da atomi. Quando
due o piu atomi si legano assieme formano
molecole. La molecola d’acqua è formata da due
atomi di idrogeno (simbolo H) e da un atomo di
ossigeno (simbolo O).
0Tra le molecole di una sostanza agiscono le
forze di coesione molecolare.
0Queste forze hanno intensità diversa a seconda
dello stato di aggregazione in cui si trova la
sostanza
![Page 5: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/5.jpg)
La misura della temperatura 0Stato Solido
Struttura microscopica ordinata – Forze di coesione intense – Particelle
oscillano intorno a posizioni di equilibrio, senza spostarsi -
0Stato Liquido
Struttura microscopica disordinata – Forze di coesione deboli –
Le molecole si muovono, ma le distanze reciproche variano poco
0Stato Gassoso
Forze di coesione trascurabili – Le molecole occupano tutto lo spazio a
disposizione – Fortemente comprimibili
![Page 6: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/6.jpg)
La misura della temperatura 0Indipendentemente dallo stato di aggregazione, le molecole sono
soggette continuamente a un moto di agitazione termica
0La temperatura è un indice dello stato di agitazione termica: più
grande è l’agitazione termica, maggiore è la temperatura.
0Equilibrio termico: due corpi a temperatura diversa posti a contatto,
dopo un certo tempo assumono una temperatura intermedia comune
0Il termometro è lo strumento che misura la temperatura
0Nel SI la temperatura si misura in kelvin (K), anche se è molto diffuso
l’uso del grado celsius o centigrado (°C).
![Page 7: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/7.jpg)
La misura della temperatura 0Scala Celsius: suddivide in 100 parti l’intervallo tra due punti fissi
0° C: temperatura ghiaccio fondente
100 °C: temperatura acqua bollente (a pressione atmosferica)
La suddivisione della scala Kelvin è la stessa della Celsius, ma
l’origine della scala è traslata: 0 °C corrispondono a 273,15 K
![Page 8: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/8.jpg)
Solidi, liquidi e gas, in genere
cambiano dimensioni quando la
temperatura varia; il cambiamento
dipende dalle caratteristiche delle
sostanze
Lezione 2 - La dilatazione termica
![Page 9: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/9.jpg)
La dilatazione termica 0Dilatazione termica: aumento di volume dei corpi dovuto
all’aumento della temperatura.
Se una dimensione prevale sulle altre due (come
per un filo o un’asta) si parla di dilatazione lineare
Dilatazione lineare: l’aumento di lunghezza Δl
(Δl = l – l0) dipende dalla sostanza di cui è fatto il
corpo ed è direttamente proporzionale:
-alla lunghezza iniziale l0 del corpo;
-alla variazione di temperatura ΔT (ΔT = T – T0)
subita dal corpo.
![Page 10: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/10.jpg)
La dilatazione termica
0Legge della dilatazione lineare
Nel SI il coefficiente di dilatazione lineare λ si misura in K-1
La variazione di temperatura ΔT = T – T0 ha lo stesso valore numerico
espressa in K e in °C, pertanto λ ha lo stesso valore in K-1 o in °C-1
![Page 11: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/11.jpg)
La dilatazione termica
![Page 12: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/12.jpg)
La dilatazione termica 0Legge di dilatazione volumica (solidi e liquidi)
Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli
editore 2010
Nel SI il coefficiente di dilatazione volumica k si misura in K-1
Per i solidi, k ≈ 3·λ (il coefficiente di dilatazione volumica è circa il
triplo di quello lineare).
Per i liquidi, k è molto maggiore rispetto al caso dei solidi
![Page 13: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/13.jpg)
La dilatazione termica
Comportamento anomalo dell’acqua
Nell’intervallo tra 0 °C e 4°C il volume
dell’acqua non cresce con l’aumentare della
temperatura, ma diminuisce (il coefficiente di
dilatazione è negativo).
Al di sopra di 4 °C l’acqua si dilata normalmente
![Page 14: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/14.jpg)
Per aumentare la temperatura di
un corpo bisogna fornirgli una
quantità di calore, che dipende
dalla massa e dalle caratteristiche
del corpo
La legge fondamentale della termologia
![Page 15: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/15.jpg)
La legge fondamentale della termologia
0Per aumentare la temperatura di un
corpo occorre trasferirgli energia.
Il trasferimento di energia può avvenire con uno
scambio di calore (contatto con una fiamma o un
corpo più caldo, …) o con uno scambio di lavoro
0Esperimento di Joule
Per fare crescere di 1 K la temperatura di 1 kg di
acqua, occorre compiere un lavoro pari a circa 4180
J
![Page 16: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/16.jpg)
La legge fondamentale della termologia
0La capacità termica C di un corpo è il rapporto tra
l’energia ricevuta e la variazione di temperatura:
Nel SI la capacità termica si misura in J/K
La capacità termica C è proporzionale alla massa m.
La costante di proporzionalità è il calore specifico c:
Il calore specifico c è caratteristico di ogni
sostanza; nel SI si misura in J/(kg·K)
![Page 17: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/17.jpg)
La legge fondamentale della termologia
0Legge fondamentale della termologia
L’energia scambiata dipende dalla sostanza (attraverso il calore
specifico c) ed è direttamente proporzionale:
- alla massa della sostanza;
- alla variazione di temperatura ΔT .
![Page 18: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/18.jpg)
La legge fondamentale della termologia
0Equilibrio termico: due corpi a temperatura T1 e T2 posti a contatto,
scambiano energia e si portano a una temperatura di equilibrio Te
La legge fondamentale della termologia diventa:
L’energia è
scambiata
tra un corpo
e l’altro
sotto forma
di calore
![Page 19: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/19.jpg)
La legge fondamentale della termologia
0Il corpo caldo cede calore e si raffredda:
0Il corpo freddo acquista calore e si riscalda:
0Poiché T1 < Te < T2, Qceduto è negativo e Qacquistato è positivo.
0Se non c’è dispersione di calore, tenendo conto dei segni si ha:
La temperatura di equilibrio Te è:
Se c1 = c2 (stessa sostanza) Te è:
![Page 20: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/20.jpg)
La legge fondamentale della termologia
Misura di calore specifico con il calorimetro delle mescolanze.
Nel calorimetro: acqua (massa m1, temperatura T1)
Si aggiunge un corpo di massa m2 a temperatura
T2: il sistema va in equilibrio a temperatura Te
me: equivalente in acqua del calorimetro, tiene
conto del calore assorbito dal calorimetro
Misurando Te si può determinare il calore specifico
sconosciuto c2
![Page 21: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/21.jpg)
Durante un cambiamento di stato
la temperatura di una sostanza
rimane costante; il cambiamento
di stato avviene per sottrazione o
cessione di calore
Il calore latente
![Page 22: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/22.jpg)
Il calore latente 0Cambiamento di stato: passaggio di una sostanza da uno stato di
aggregazione a un altro
Durante un cambiamento di stato la temperatura resta costante
![Page 23: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/23.jpg)
Il calore latente
0Fusione: passaggio dallo stato solido allo stato liquido
0La fusione avviene per assorbimento di calore
Il solido assorbe calore: la sua temperatura
sale fino alla temperatura di fusione Tf - inizia il
cambiamento di stato
Fusione: il solido continua ad assorbire calore,
ma la temperatura resta costante al valore Tf
A fusione completata, se il corpo continua ad
assorbire calore, la sua temperatura cresce
![Page 24: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/24.jpg)
Il calore latente
0Se una massa m di sostanza solida si trova alla temperatura di fusione
Tf, la quantità di calore Q necessaria per farla fondere è direttamente
proporzionale a m
La costante di proporzionalità λf, caratteristica di ogni sostanza, è il
calore latente di fusione, nel SI si misura in J/kg
![Page 25: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/25.jpg)
Il calore latente
0Il cambiamento di stato inverso della fusione è la
solidificazione: avviene alla stessa temperatura della
fusione, con cessione di calore da parte del liquido
0Il calore latente di solidificazione è il calore ceduto
dalla massa unitaria di liquido durante la solidificazione,
ed è uguale al calore latente di fusione.
![Page 26: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/26.jpg)
Il calore latente
0Evaporazione: passaggio dallo stato liquido allo stato gassoso
0L’evaporazione avviene per assorbimento di calore
Molti liquidi evaporano anche (in superficie) a
temperatura ambiente
Nell’ebollizione il cambiamento di stato interessa
tutto il volume di liquido e avviene a temperatura
costante (temperatura di ebollizione)
La temperatura di ebollizione dipende dalla
pressione
![Page 27: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/27.jpg)
Il calore latente
0Se una massa m di sostanza solida si trova alla temperatura di
evaporazione Te, la quantità di calore Q necessaria per farla
evaporare è direttamente proporzionale a m:
λv, è il calore latente di evaporazione, nel SI si misura in J/kg
La condensazione è il cambiamento di stato inverso della
evaporazione, e avviene alla stessa temperatura, con cessione di
calore da parte del liquido (il calore latente di condensazione è
uguale a quello di evaporazione)
![Page 28: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/28.jpg)
Il calore si propaga da punti a
temperatura più alta a punti a
temperatura più bassa
La propagazione del calore
![Page 29: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/29.jpg)
La propagazione del calore
0All’interno di un solido il calore si
propaga per conduzione
0La conduzione del calore è dovuta alla
trasmissione di vibrazioni tra atomi
vicini all’interno del solido.
0Si ha trasmissione di energia
all’interno del solido, ma non si ha
trasporto di materia
![Page 30: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/30.jpg)
La propagazione del calore
0All’interno di un fluido (liquido o gas) il calore si propaga
soprattutto per convezione.
Il fluido, scaldandosi, varia la sua densità:
il fluido più caldo tende a salire, e quello
più freddo scende a prendere il suo posto
Si innescano delle correnti convettive che
coinvolgono tutto il fluido: si ha
trasmissione di energia nel fluido, e si ha
anche trasporto di materia
![Page 31: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/31.jpg)
La propagazione del calore
0Legge di Fourier della conduzione
0La quantità di calore che si propaga per
conduzione in un tempo Δt attraverso una parete
di area A e spessore d, ai due lati della quale è
mantenuta una differenza di temperatura ΔT, è:
k: coefficiente di conducibilità termica,
caratteristico del materiale. Nel SI il coefficiente
di conducibilità termica si misura in W/(m·K)
![Page 32: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/32.jpg)
La propagazione del calore
0Le sostanze con un
coefficiente di conducibilità
termica elevato, per esempio i
metalli, sono buoni conduttori
di calore.
0Gli isolanti termici, per
esempio i gas, o i materiali che
inglobano aria nella loro
struttura, hanno una bassa
conducibilità termica
![Page 33: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/33.jpg)
La propagazione del calore 0Nella trasmissione per irraggiamento, il calore viene scambiato come
radiazione elettromagnetica, che si propaga anche nel vuoto.
0Tutti i corpi emettono radiazione elettromagnetica (visibile per i
corpi più caldi, infrarossa per quelli più freddi).
0La potenza irraggiata da un corpo di superficie A alla temperatura T
(misurata in kelvin) è espressa dalla legge di Stefan-Boltzmann:
La costante c dipende dal materiale che costituisce la superficie.
Quando la radiazione elettromagnetica incide su un corpo, viene in
parte riflessa e in parte assorbita, riscaldando il corpo stess
![Page 34: Calore e temperatura - Roberto Caponerobertocapone.com/download/05-Calore-e-temperatura.pdf · Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022021809/5c63afc709d3f2c8418b711d/html5/thumbnails/34.jpg)
Calore e temperatura
Termometro
Agitazione termica
Temperatura
Dilatazione
termica
Cambiamenti di stato
Legge
fondamentale
della termologia
Calore
Irraggiamento
Propagazione del
calore
Calore latente
Convezione
Conduzione
Coefficiente di
conducibilità
termica